微波的光学特性实验

                   

                           20##级光电信息科学与工程 XXX

摘要

微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在明显的反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。本实验主要对微波的单缝衍射、双缝干涉及布拉格衍射现象进行验证讨论。

关键词

微波、布拉格衍射、光学特性。

实验目的

1.了解微波的原理及实验装置

2.认识微波的光学特性及测量方法

3.明确布拉格公式的解释以及用微波实验系统验证该公式。

实验原理

微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。但因为它的波长、频率和能量具有特殊的量值，所以它所表现出的这些性质也具有特殊性。用微波来仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格可以放大到宏观尺度（厘米量级），因此要微波进行波动实验比光学实验更直观，安全。

１.微波的单缝衍射

当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。缝后出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央两侧的衍射波强度迅速减小，直至 出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为，其中是波长，a是狭缝宽度。随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为： 。如图２－１。

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微波光学实验报告处理要求参考

（以下一共是12个实验项目的处理参考要求，具体对于个人请结合自己所做的实验项目进行处理分析，如果实验报告纸张不够，请自行加页，希望实验报告在本月底之前交由学习委员统一上交）

实验一 系统初步实验

从测量的数据来看，电磁波辐射的信号随传播距离、空间方位如何变化？

实验二 反射

根据测量结果，计算填写实验时的表格，另外总结这个实验结果验证了什么规律？

实验三 驻波—测量波长

根据测量结果，计算填写实验时的表格，其中波长的实际值计算可根据该实验所用微波频率为10.545GHz，波速为真空中光速来计算。

实验四 棱镜的折射

根据测量的入射角和折射角数据，计算出所使用材料的聚乙烯板的折射率。

实验五 偏振

根据实验测量数据，看能否发现接收器接收信号强度与偏振板角度和接收器转角之间的关系，找出偏振板改变微波偏振的规律。（能配用作图法分析最好）

实验六 双缝干涉

处理要求1、根据计算出微波波长，其中d为两狭缝之间的距离， 为探测角，为入射波的波长，n为接收器转过角度时检流计出现的极大值次数（整数）。

处理要求2、根据测量数据表格绘制电流随转角变化的曲线图，结合图分析实验结果。

实验七 劳埃德镜

根据测量数据，计算出微波波长。

实验八 法布里—贝罗干涉仪

根据测量数据，计算出微波波长。

实验九 迈克尔逊干涉仪

根据测量数据，计算出微波波长。

实验十 纤维光学

根据实验测量数据，分析微波在纤维中传播特性。

实验十一 布儒斯特角

从测量的过程来看，说明微波的偏振特性。

实验十二 布喇格衍射

作接收信号强度对掠射角的函数曲线。计算晶面间距，并比较测出的晶面间距与实际测量间距之间的比较。

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实验5 微波光学综合实验数据处理

1、反射实验数据处理：

实验结论：把误差考虑在内，可以认为:反射角等于入射角。

3.微波干涉数据处理：

a=35mm; b=58mm

由公式求得的理论值：第一级加强点=21.0°第一级减弱点不在所测得范围内。由实验数据求得的值：第一级加强点值在20°~22°之间，与理论值近似相等

4、微波的偏振数据处理：

实验结论：把误差考虑在内，可以认为得到的实验数据基本和理论值相等。

5、微波的迈克尔逊干涉

实验数据：读数为极小值时的刻度（mm）：4.170；19.762；35.170；53.736；69.337

读数为极大值时的刻度（mm）：11.596；27.929；42.821；61.353

数据处理：由读数极小值测得的波长：=（69.337-4.170）2/4=32.58nm

由读数极大值测得的波长：=(61.353-11.596) 2/3=33.17nm

求均值：=32.88nm  理论值; =33.3nm

相对误差：=1.26%

6、微波的布拉格衍射数据处理：

根据实验数据测得的衍射角曲线：如图

下图为理论测得的衍射角曲线：如图

实验结果：

经对比可知:实验所测得的衍射角曲线和理论测得的衍射角曲线可以近似看作相等（把误差考虑在内），实验测得100面   第一级加强点的衍射角为θ=68.1°

 第二级加强点的衍射角为θ=37.8°

               测得110面   第一级加强点的衍射角为θ=56.4°

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微波光学实验

实验目的：

1．了解微波分光仪的结构，学会调整它并能用它进行实验。

2．进一步认识电磁波的波动性，测量并验证反射、单缝衍射和双缝干涉的规律。

实验器材：见讲义

微波分光仪

微波和光波都是电磁波，都具有波动性，能产生反射、衍射、干涉及折射等现象。微波的波长在一毫米到一米之间，在电磁波谱中其短波长一端与远红外光波相连接，在长波长一端与超高频无线电波相连接。许多可见光和其他波长的电磁波的性质，都可以用微波来再现，只是由于波长不同，波动现象的尺度不同而已。利用微波代替光波来进行实验直观、方便的多。

实验原理：见课本

1.

2.单缝衍射

由微波分光仪的发射天线发出的微波是在一定范围内的平面波，当平面波入射到缝宽为的单缝上就会发生衍射，在不同方向上可以由接收天线接收到不同强度的微波，在各衍射方向上的微波可以看作是这个方向上小范围内的平面波，接收天线将其汇聚到一起来。因此可以认为这种衍射是夫琅和费衍射。

单缝夫琅和费衍射的光强分布光强为：

当衍射角=0时，衍射波的强度最大，称为中央极强，它有一定的宽度。在中央极强两侧，衍射波的强度迅速减小，直至出现衍射波强度的极小值，即一级极小。可以证明正一级极小的衍射角为：。同样，负一级极小的衍射角为：。如果定义两个一级极小之间的夹角为中央极强的角宽度，则中央极强的角宽度为：。

我们还可以证明各级极小的衍射角满足：

k=1,2，3， ……

分别称为一级极小，二级极小，三级极小，……。

除中央极强外，其余各级衍射极大的衍射角近似满足：

k‘=1，2，3 ……

分别称为一级极大，二级极大，三级极大，……。

3.双缝干涉

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实验14 微波光学实验

微波在科学研究、工程技术、交通管理、医疗诊断、国防工业的国民经济的各个方面都有十分广泛的应用。研究微波，了解它的特性具有十分重要的意义。

微波和光都是电磁波，都具有波动这一共性。都能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作波动实验与用光作波动实验所说明的波动现象及规律时一致的。由于微波的波长比光波的波长在数量级上相差一万倍左右，因此用微波来做波动实验比光学实验更直观，方便和安全。比如在验证晶格的组成特征时，布喇格衍射就非常的形象和直观。

通过本系统所提供的以下实验内容，可以加深对微波及微波系统的理解，特别是微波的波动这一特性。

【实验目的】

1.  了解微波光学系统实验的仪器和组件的工作原理，掌握其使用的一般方法。

2.  了解迈克尔逊干涉仪工作原理，测量并计算微波波长。

3.  了解劳埃德镜原理，并用劳埃德镜测微波波长。

4.  了解法布里-贝罗干涉仪原理，测量并计算微波波长。

5.  了解布喇格衍射实验原理，并测量立方晶格内晶面间距。

【仪器用具】

   ZKY-WB微波光学实验仪。

【仪器介绍】

1． 仪器组成

微波信号源

输出频率10.545GHz，波长2.84459cm，功率15mW，频率稳定度可达5×10^-5，幅度稳定度：10^-2。这种微波源相当于光学实验中的单色光束。

发射器组件

组成部分：缆腔换能器，谐振腔，隔离器，衰减器，喇叭天线及支架。将电缆中的微波电流信号转换为空中的电磁场信号。喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面20。，E面16。。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是水平的。

接收器组件

组成部分：喇叭天线，检波器，支架、放大器和电流表。检波器将微波信号变为直流或低频信号。放大器分三个档位，分别为×1倍档、×10倍档和×50倍档，可根据实验需要来调节放大器倍数，以得到合适的电流表读数。

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内蒙古工业大学信息工程学院

实 验 报 告

课程名称：微波技术 实验名称：阻抗匹配网络的设计

实验类型： 验证性■ 综合性□设计性□

实验室名称：通信与控制基础实验室

成绩：

实验日期：20xx年月日

实验三、阻抗匹配网络的设计

内蒙古工业大学信息工程学院

一、 实验目的

1. 理解阻抗匹配原理，重点掌握单支节阻抗匹配器的应用；

2. 熟悉阻抗圆图在阻抗测量中的应用；

3. 学会用阻抗匹配器对失配元件进行调配。

二、 设计要求

1. 在给定负载情况下，利用单支节匹配器法设计阻抗匹配网络，实现无反射匹配；

2. 结合阻抗圆图，验证设计结果，并得出结论。

三、 实验原理

1. 阻抗测量

在微波测量技术中，阻抗测量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系统匹配设计的依据, 也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量（如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。

由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的，因而不可能像双线传输线那样用行波电压（或电场强度）对行波电流（或磁场强度）之比，来规定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗。波导的等效阻抗值因定义方法不同而不同，因而一般并不进行阻抗绝对值的测量。经常遇到的实际问题是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题，在这一类问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗。阻抗测量的方法很多，但应用较为广泛的方法是测量线法。

根据传输线理论，传输线上任一点的归一化阻抗为：

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内蒙古工业大学信息工程学院

在电压最小点，即L=Lmin时，有?1

?，代入上式可解得归一化负载阻抗为：

即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。

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微波光学特性及布拉格衍射

摘要：微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。但因为它的波长、频率和能量具有特殊的量值，所以它所表现出的这些性质也具有特殊性。用微波来仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格可以放大到宏观尺度（厘米量级）。所以，本实验用一束3cm的微波代替X射线，观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，用来模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射，并验证著名的布拉格公式。该实验还利用了微波分光仪完成了微波的单缝衍射和微波迈克尔逊干涉实验。该报告主要介绍了上述实验的原理，并进行了数据处理和误差分析，在最后还提出了一种实验仪器的改进方案。

关键字：微波光学特性    布拉格衍射

实验目的：

1.  了解微波原理及微波分光的使用方法;

2.  认识微波的光学性质，及基本测量方法。

实验仪器：

    体效应管微波发生器、微波分光计及其附件、微波发射天线、微波接收天线、检波器、微安表等。

实验原理

微波波长从1m到0.1mm，其频率范围从300MHz～3000GHz，是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波与光波之间，因此微波有似光性，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。由于微波的波长比光波的波长在量级上大10000倍左右，因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观。

微波是一种电磁波，它和其他电磁波如光波、X射线一样，在均匀介质中沿直线传播，都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等现象。

1、微波的反射实验

微波的波长较一般电磁波短，相对于电磁波更具方向性，因此在传播过程中遇到障碍物，就会发生反射。如当微波在传播过程中，碰到一金属板，则会发生反射，且同样遵循和光线一样的反射定律：即反射线在入射线与法线所决定的平面内，反射角等于入射角。

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